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Secondo una nuova ricerca i buchi neri non sempre alimentano i lampi di raggi gamma

Rappresentazione artistica di un lampo di raggi gamma alimentato da una stella di neutroni. Credito: Nuria Jordana-Mitjans

I lampi di raggi gamma (GRB) sono stati rilevati dai satelliti in orbita attorno alla Terra come lampi luminosi della radiazione di raggi gamma più energetica che durano da millisecondi a centinaia di secondi. Queste esplosioni catastrofiche si verificano in galassie lontane, a miliardi di anni luce dalla Terra.

Un sottotipo di GRB noto come GRB di breve durata prende vita quando due stelle di neutroni entrano in collisione. Queste stelle ultra dense hanno la massa del nostro sole compressa fino alla metà delle dimensioni di una città come Londra, e negli ultimi istanti della loro vita, appena prima di innescare un GRB, generano increspature nello spazio-tempo, note agli astronomi come onde gravitazionali.

Finora, gli scienziati spaziali hanno ampiamente concordato sul fatto che il “motore” che alimenta tali esplosioni energetiche e di breve durata deve sempre provenire da un buco nero di nuova formazione (una regione dello spazio-tempo in cui la gravità è così forte che nulla, nemmeno la luce, può scappare da esso). Tuttavia, una nuova ricerca di un team internazionale di astrofisici, guidato dalla dott.ssa Nuria Jordana-Mitjans dell’Università di Bath, sta sfidando questa ortodossia scientifica.

Secondo i risultati dello studio, alcuni GRB di breve durata sono innescati dalla nascita di una stella sopramassiva (altrimenti nota come resto di una stella di neutroni) non un buco nero. L’articolo è disponibile su The Astrophysical Journal .

La dott.ssa Jordana-Mitjans ha affermato: “Tali risultati sono importanti in quanto confermano che le stelle di neutroni appena nate possono alimentare alcuni GRB di breve durata e le emissioni luminose attraverso lo spettro elettromagnetico che sono state rilevate che le accompagnano. Questa scoperta potrebbe offrire un nuovo modo per localizzare fusioni di stelle di neutroni, e quindi emettitori di onde gravitazionali, quando cerchiamo segnali nei cieli”.

Teorie concorrenti

Si sa molto sui GRB di breve durata. Iniziano la loro vita quando due stelle di neutroni, che sono state sempre più vicine a spirale, accelerando costantemente, alla fine si schiantano. E dal luogo dell’incidente , un’esplosione lanciata rilascia la radiazione di raggi gamma che produce un GRB, seguita da un bagliore residuo di lunga durata. Il giorno dopo, il materiale radioattivo che è stato espulso in tutte le direzioni durante l’esplosione produce quella che i ricercatori chiamano kilonova.

Tuttavia, ciò che rimane esattamente dopo la collisione di due stelle di neutroni, il “prodotto” dell’incidente, e di conseguenza la fonte di energia che conferisce a un GRB la sua straordinaria energia, è stato a lungo oggetto di dibattito. Gli scienziati potrebbero ora essere più vicini alla risoluzione di questo dibattito, grazie ai risultati dello studio condotto da Bath.

Gli scienziati spaziali sono divisi tra due teorie. La prima teoria vuole che le stelle di neutroni si uniscano per formare brevemente una stella di neutroni estremamente massiccia, solo che questa stella collassi in un buco nero in una frazione di secondo. Il secondo sostiene che le due stelle di neutroni si tradurrebbero in una stella di neutroni meno pesante con una maggiore aspettativa di vita.

Quindi la domanda che ha posto gli astrofisici per decenni è questa: i GRB di breve durata sono alimentati da un buco nero o dalla nascita di una stella di neutroni di lunga durata?

Ad oggi, la maggior parte degli astrofisici ha sostenuto la teoria del buco nero, concordando sul fatto che per produrre un GRB è necessario che la massiccia stella di neutroni collassi quasi istantaneamente.

Segnali elettromagnetici

Gli astrofisici apprendono le collisioni di stelle di neutroni misurando i segnali elettromagnetici dei GRB risultanti. Il segnale proveniente da un buco nero dovrebbe differire da quello proveniente da un resto di una stella di neutroni.

Il segnale elettromagnetico del GRB esplorato per questo studio (denominato GRB 180618A) ha chiarito alla dott.ssa Jordana-Mitjans e ai suoi collaboratori che un residuo di stella di neutroni piuttosto che un buco nero deve aver dato origine a questo scoppio.

Elaborando, la dott.ssa Jordana-Mitjans ha affermato: “Per la prima volta, le nostre osservazioni evidenziano più segnali di una stella di neutroni sopravvissuta che visse per almeno un giorno dopo la morte della binaria della stella di neutroni originale”.

La professoressa Carole Mundell, coautrice dello studio e professoressa di Astronomia extragalattica a Bath, dove detiene la cattedra di Hiroko Sherwin in Astronomia extragalattica, ha dichiarato: “Siamo stati entusiasti di catturare la primissima luce ottica da questo breve lampo di raggi gamma, qualcosa che è ancora in gran parte impossibile da fare senza l’uso di un telescopio robotico, ma quando abbiamo analizzato i nostri dati squisiti, siamo rimasti sorpresi di scoprire che non potevamo spiegarli con il modello standard di buco nero a collasso rapido dei GRB.

“La nostra scoperta apre nuove speranze per imminenti rilevamenti del cielo con telescopi come l’Osservatorio Rubin LSST con i quali potremmo trovare segnali da centinaia di migliaia di stelle di neutroni così longeve , prima che collassano per diventare buchi neri “.

Ulteriore bagliore che scompare

Ciò che inizialmente ha lasciato perplessi i ricercatori è stato che la luce ottica del bagliore residuo che ha seguito il GRB 180618A è scomparsa dopo soli 35 minuti. Ulteriori analisi hanno mostrato che il materiale responsabile di un’emissione così breve si stava espandendo vicino alla velocità della luce a causa di una fonte di energia continua che lo spingeva da dietro.

La cosa più sorprendente era che questa emissione aveva l’impronta di una stella di neutroni appena nata, in rapida rotazione e altamente magnetizzata, chiamata magnetar di millisecondi. Il team ha scoperto che la magnetar dopo il GRB 180618A stava riscaldando il materiale residuo dell’incidente mentre stava rallentando.

In GRB 180618A, l’emissione ottica alimentata dalla magnetar era mille volte più luminosa di quanto ci si aspettasse da una kilonova classica.

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